20

Bet.cu Polim. Inorg.(Geopolimeri)

Embed Size (px)

DESCRIPTION

123

Citation preview

Pe masura cresterii interesului pentru protectia mediului, s-a pus accent pe reducerea emisiilor gazoase responsabile de efectul de sera si ploile acide, reducerea concentratiei poluantilor din efluentii lichizi si nu in ultimul rand reducerea deseurilor solide, iar cand este posibil valorificarea acestora.

In aceasi arie tematica se incadreaza si valorificarea deseurilor rezultate prin arderea combustibilor solizi in termocentrale.

Dintre deşeurile industriale rezultate, cenuşile de la termocentrale ocupă un loc preponderent prin volumul mare si consecinţele produse datorită acumulări crescânde.

•In procesul de producere a energiei din combustibili solizi rezulta un subprodus (cenusa) format din partea minerala si cea nearsa a carbunelui si compusii rezultati in urma desulfurarii gazelor de ardere (cand aceasta se realizeaza), recunoscut ca principal poluant al termocentralelor.

Inca de la inceputul obtinerii energiei din combustibili solizi au fost generate milioane de tone de cenusa, in mod curent pe glob se produc anual in jur de 600 milioane tone de cenusa, din care 75-80% (aproximativ 500 milioane tone) este cenusa de termocentrala

In Europa rezulta anual peste 40 milioane tone de cenusa de termocentrala.

În România anual rezultă cantităţi mari de cenuşă, deoarece sistemul energetic este supradimensionat şi se utilizează combustibili inferiori.

În 1980 s-au produs 15 milioane de tone de cenuşă, iar în 1985 au rezultat 30 milioane de tone.

După 1990 cantitatea de cenuşă a scăzut datorită scăderii consumului de electricitate.

În Iaşi functionează o centrală termică tip I (CET II Holboca), cu o capacitate de 610 MW, pe bază de combustibil solid.

Un calcul estimativ indică că anual rezultă în jur de 21740 tone de cenuşă. În ultimii 20 de ani în această zonă au rezultat aproximativ 500 milioane tone de cenuşă, din care o cantitate mică a fost valorificată.

Cenuşa neutilizată este depozitată.

Referitor la compozitia chimica, cenusa contine 60-65% silice, 25-30 % alumina, 6-15% magnetit. Cenusa poate contine diferite elemente esentiale, macronutrienti P, K, Ca, Mg si micronutrienti Zn, Fe, Cu, Mn, B, si Mo pentru cresterea pantelor.

Fig. 1. Direcţii de valorificare a cenuşii de

termocentrala

Proprietati cum ar fi: greutatea specifica, permeabilitatea, densitatea in vrac, distributia granulometria, suprafata specifica, porozitatea, determina domeniile de utilizare a acestui sub-produs.In ultimii ani studiului schimbarilor climatice determinate de incalzirea globala li se acorda o importanta deosebita. In ce priveste incalzirea globala emisiile de CO2 contribuie cu aproximativ 65%, industria cimentului fiind cel mai mare responsabil pentru acestea (McCaffery, 2002). Global, industria cimentului emite anual in jur de 1.35 bilione tone de gaze cu efect de sera, ceea ce reprezinta in jur de 7% din totalul gazelor emise in atmosfera.

Cercetarile experimentale au urmarit reducerea utilizarii cimentului portland, aceasta implicand utilizarea de materiale cimentoide cum ar fi: cenusa de termocentrala, silicea, zgura de furnal, metacaolinitul si dezvoltarea de noi materiale liante. Cercetarile au avut ca obiectiv: economia de materii prime, scaderea consumului de energie necesar decarbonatarii calcarului si clincherizarii amestecului de materii prime (temperatura de 1500C, cu o energie consumata de 1700–1800 MJ/t clinker).Ca o alternativa pentru inlocuirea cimentului portland literatura de specialitate recomanda un nou material denumit geopolimer, obtinut prin activarea alcalina la diferite temperaturi a unor materii prime naturale sau chiar deseuri.

Denumirea de geopolimer a fost propusa pentru a descrie un mineral sintetic similar cu cel din crusta Pamantului .

Geopolimerii fac parte din familia zeolitilor silico-aluminati, dar sunt diferiti de acestia prin proprietatile diferite si prin faptul ca in esenta sunt polimeri amorfi. Geopolimerii sunt cunoscuti ca noi materiale avand urmatoarele proprietati si utilizari: rezistenta mecanica ridicata, rezistenta in medii agresive, usor de reciclat, imobilizarea ionilor de metale grele, rezistenta la foc, timp de intarire rapid (ajung la 70% din rezistenta la compresiune finala in primele 4 ore de intarire), etc.

Geopolimerii sunt de asemenea cunoscuti ca materiale nepoluante (verzi) datorita emisiilor reduse si consumului mic de energie pentru obtinere.

Tratamentul termic la temperaturi relativ scazute face ca geopolimerii sa fie considerati materiale prietenoase cu mediu, consumand cu 3/5 mai putina energie decat cimentul portland, in paralel cu emiterea unor cantitati reduse de CO2 .

Geopolimerii obtinuti prin activare alcalina sunt lianti alumino-silicati si cuprind trei clase de polimeri anorganici, in functie de raportul silice/alumina: (–Si–O–Al–O–) – poli-sialati, SiO2/Al2O3 = 2; (–Si–O–Al–O–Si–O–), poli-sialati siloxo - SiO2/Al2O3 = 4; (–Si–O–Al–O–Si–O–Si–O–), poli-sialati disiloxo - SiO2/Al2O3 = 6 (Andini s.a. 2008).Geopolimerii se obtin prin condensare la temperaturi intre 20 si 90 C, in timp ce cristalizarea acestora are loc in autoclave la 150–200 C. Structura polimerului cristalin se aseamana cu a zeolitului tip A.Compozitia amestecului si conditiile de reactie cum ar fi: raportul SiO2/Al2O3, concentratia hidroxidului, temperatura de activare, timpul de activare, raportul solid/lichid si pH-ul influenteaza semnificativ formarea si proprietatile geopolimerilor.

Betoanele cu polimeri inorganici (BPI) pot fi obtinute predominant din deşeuri industriale cum ar fi: cenuşa de termocentrală, zgură granulată de furnal, soluri contaminate. Aceste materiale sunt denumite geopolimeri sau cimenturi activate cu alcali. Ele conţin aluminiu şi siliciu care sunt solubile în soluţii puternic alcaline. Combinaţiile dizolvate sunt apoi supuse policondensării pentru a produce materiale cu proprietăţi mecanice dorite. În timp ce cimenturile puzzolane în general depind de prezenţa calciului, polimerii inorganici nu utilizează forma de hidrat de calciu-silicat pentru formarea matricii şi pentru rezistenţă. Aceste diferenţe structurale dau betonului cu geopolimeri unele avantaje, cum ar fi o rezistenţă iniţială mai devreme decât în cazul betonului cu ciment. 

Polimerii inorganici sunt materiale stabile cu proprietăţi fizice şi chimice dovedite. În multe cazuri betoanele cu geopolimeri depăşesc ca performanţă pe cele cu ciment portland în ceea ce priveşte rezistenţa la compresiune, rezistenţa la acizi şi rezistenţa la foc. Din aceste motive tehnologia obţinerii betonului cu geopolimeri câştigă interes, mai ales că aceste betoane sunt competitive ca preţ cu betoanele obişnuite.În general materialele de start pentru sinteza betoanelor cu geopolimeri sunt nisip, cenuşă, agregate grosiere şi zgură de furnal. Faza de soluţie (în mod normal se referă la soluţia de activare) constă din una sau mai multe din următoarele componente: carbonat de sodiu (Na2CO3), silicat de sodium (Na2SiO3), şi hydroxid de sodium (NaOH).

Compoziţii de betoane cu polimer inorganic

S-a făcut amestecarea, mai întâi a componenţilor uscaţi apoi cu adaosul de soluţie. Se amestacă până la obţinerea unei paste uniforme. Apoi se toarnă în tipare, se vibrează. Spre deosebire de betonul obişnuit, BPI se poate întări mult mai rapid, în câteva minute, depinde de compoziţie.De obicei 5-10 minute pentru turnarea betonului şi începerea întăririi. Întărirea rapidă creează probleme, de aceea întârzierea prizei crează îngrijorări, deoarece poate afecta rezistenţa şi durabilitatea betonului.Pentru BPI prezentaţi în experiment s-au respectat prevederile referitoare la turnarea şi păstrarea betonului obişnuit: turnare în tipare de oţel, decofrare după 24 ore, ţinuţi în acest interval la (30–35 °C, >80% RH). Apoi probele au fost păstrate la 240C timp de 28 de zile până la testare.

3. RezultateDensitatea betonului fără agregate grosiere a fost de 2205.8 kg/m3, iar cea a compoziţiei 4 a fost de 2408.1 kg/m3. Densitîţile sunt apropiate ca valori de cele ale betonului obişnuit, care are valori între 2300şi 2600 kg/m3. Rezultatele din Tabelul 3 indică faptul că nu sunt diferenţe majore între densităţi.• Rezistenţa la compresiuneRezistenţa la compresiune a betonului obişnuit nu este mai mult de 50 MPa. Pentru betonul obişnuit, rezistenţa caracteristică la compresiune este definită ca rezistenţa atinsă la 28 zile de 95% din probe.

Rezistenţa la compresiune la 28 de zile pentru BPI a fost de 50 MPa, având o medie de 52,4 MPa. Se observă o creştere a rezistenţei de la 7 zile la 28 zile cu circa 10-15 MPa, datorită reacţiilor de polimerizare care continuă după 7 zile. Variaţiile rezistenţelor la fiecare compoziţie se atribuie diferenţelor dintre tipurile de cenuşă şi soluţiilor de activare. •Rezistenţa la întindere prin despicareRezistenţa la întindere prin despicare şi rezistenţa la întindere din încovoiere s-au determinat conform standardelor. Rezistenţa caracteristică la întindere la 28 zile se poate determina cu relaţia:

În figura 1 rezultatele experimentale şi cele date de relaţia 1 sunt prezentate.

Standardul european indică rezistenţa caracteristică la întindere axială ( fctk) funcţie de valoarea medie la întindere:

Şi

Se observă că valorile experimentale ale rezistenţei la întindere sunt deasupra valorilor cerute pentru majoritatea compoziţiilor de BPI. Pentru aceleaşi rezistenţa la compresiune , rezistenţele la întindere din despicare satisfac cerinţele date de standarde.ConcluziiDensităţile sunt similare cu cele ale betonului obişnuitRezistenţa la compresiune este apropiată de valoarea de calcul, având o medie de 52,4 Mpa.Rezistenţele la întindere prin despicare şi încovoiere au valori comparabile cu cele ale betonului obişnuit.Ca şi la betoanele obişnuite proprietăţile mecanice ale BPI depind de proiectarea compoziţiei şi de metoda de tratare.